2.3 Термохімічні розрахунки

Закон Гесса дозволяє обчислити теплові ефекти процесів, для яких відсутні експериментальні дані. Це стосується не тільки хімічних реакцій, але й процесів розчинення, випарювання, сублімації, кристалізації та ін. При термохімічних розрахунках особливо значимі два види теплових ефектів: ентальпія утворення та ентальпія горіння сполук.

Ентальпія утворення сполук є тепловим ефектом реакції утворення одного моля даної сполуки із простих речовин за стандартних умов. Наприклад, стандартна ентальпія утворення _fН карбонату кальцію – це тепловий ефект реакції

Са(т) + С(графіт) + 1,5О₂(г) = СаСО₃(т), _fН = - 1206 кДж.

При цьому ентальпія утворення простих речовин (Н₂, О₂, Са, С та ін.) дорівнює нулю, а ентальпії утворення більшості відомих речовин можна відшукати у довідниках.

За значною кількістю стандартних ентальпій утворення можна обчислити теплові ефекти багатьох хімічних реакцій. При цьому використовують правило, яке випливає із закону Гесса:

тепловий ефект хімічної реакції дорівнює різниці суми ентальпій утворювання кінцевих речовин та суми ентальпій утворювання вихідних речовин із урахуванням коефіцієнтів, що подані перед позначенням речовин у рівнянні реакції.

Нехай хімічна реакція проходить відповідно до рівняння

аА + bВ = сС + dD Н - ?

Тут а, b, с, d –коефіцієнти перед речовинами А, В, С, D.Тоді Н = (с_fН_С + d_fН_D) – ( a_fН_A + b_fН_B).

Для наочності розглянемо конкретний приклад. Реакцію горіння етану С₂Н₆ описується рівнянням

С₂Н₆(г) + 3,5О₂(г) = 2СО₂(г)+3Н₂О(ж),

Н₂₉₈ =-1559,87 кДж/моль.

Обчислити ентальпію утворення етану, якщо відомі ентальпії утворення вуглекислого газу та води: _fН₂₉₈(СО₂)= -393,51  кДж/моль, _fН₂₉₈ (Н₂О) = - 285,84 кДж/моль.

Відповідно до закону Гесса маємо:

Н = 2_fН(СО₂) + 3_fН(Н₂О) - _fН(С₂Н₆).

Звідси _fН₂₉₈(С₂Н₆) = 2_fН₂₉₈(СО₂) + 3_fН₂₉₈(Н₂О) - Н₂₉₈ = =2(-393,51) + 3(-285,84) – (-1559,87) = -84,67 кДж/моль.

Ентальпією згоряння сполуки називають тепловий ефект реакції окислення даної сполуки киснем за стандартних умов з утворенням вищих оксидів елементів, що входять до складу цієї сполуки. Наприклад, стандартна ентальпія згоряння _СН етилового спирту – це тепловий ефект реакції

С₂Н₅ОН(ж) + 3О₂ = 2СО₂(г) + 3Н₂О(ж).

Продуктами сгоряння є СО₂, Н₂О(г) або Н₂О(ж), SO₃ та інші. Якщо серед продуктів реакції крім оксидів, наявні інші речовини (наприклад, N₂, HCl), то це спеціально обумовлюється. Ентальпії згоряння вищих оксидів та інших продуктів сгоряння, а також кисню брати за нуль. За допомогою ентальпій згоряння можна також розрахувати теплові ефекти хімічних реакцій, використовуючи таке правило:

тепловий ефект хімічної реакції дорівнює різниці суми ентальпій згоряння вихідних речовин та сумі ентальпій згоряння продуктів реакції з урахуванням коефіцієнтів, що подані перед позначенням речовин у рівнянні реакції.

Для наведеної в даному розділі абстрактної реакції

Н = (а_СН_А + в_СН_В)-(с_СН_С + d_СН_D).

Розрахуємо тепловий ефект реакції етерифікації щавлевої кислоти метиловим спиртом, яка проходить за стандартних умов

(СООН)₂(т) + 2СН₃ОН(ж) = (СООСН₃)₂(ж) + 2Н₂О(ж).

У довіднику відшуковуємо значення стандартних ентальпій згоряння речовин:

_СН[(СООН)₂]= -251,8 кДж/моль,

_СН[(СН₃ОН)] = -727,6 кДж/моль,

_СН[(СООСН₃)₂] = -1680,2 кДж/моль,

_СН(Н₂О) = 0.

Звідси Н = -251,8 + 2(-727,6) – (-1680,2) = -26,8 кДж/моль.